跨越空間的連接配接

量子糾纏是什麼？

構成我們宇宙的電子、光子和其他粒子彼此之間可以變得密不可分、“緊密相連”，在這種狀态下，無論兩個粒子相隔多遠，在一個粒子身上觀測到的狀态，就能準确反映出另一個“相連”粒子的狀态。這種聯系就被稱為量子糾纏。

量子糾纏發生在兩個系統（比如兩個粒子）互相作用時，它們的屬性也會随即産生關聯。糾纏常常與另一種被稱為疊加的量子現象相輔相成。疊加就是粒子同時存在于兩種不同的狀态中，例如，光子可以同時顯示水準和垂直的偏振狀态。

為了簡化地了解這個問題，我們可以先想想兩個“糾纏”的硬币。每個硬币都藏在杯子下面，隻要不掀開杯子，硬币就一直在“旋轉”，處于正面和反面的疊加狀态。一旦杯子被掀開，硬币就将随機變成正面或反面。

現在，鮑勃和愛麗絲兩人分别帶着一個杯子來到不同的房間。如果愛麗絲先掀開她的杯子，并發現她的硬币反面向上（這個結果完全是随機的），那麼當鮑勃掀開杯子時，也會發現反面向上的硬币。

如果他們再次合上杯子重複這個實驗，硬币又會回到疊加狀态。愛麗絲再次掀開杯子，這次可能會發現她的硬币是正面的。那麼，我們可以預期鮑勃也會發現他的硬币處于正面。

真實存在的糾纏

1935年，愛因斯坦、波多爾斯基和羅森發表了一篇關于量子糾纏理論概念的論文。幾位實體學家描述了這個想法，但卻認為它給量子力學帶來了問題，使理論變得不完整。

當時，許多人都質疑糾纏是否正确，甚至愛因斯坦本人也并不相信兩個粒子可以在很遠的距離上保持聯系，稱它是“鬼魅般的超距作用”。他認為這需要它們以超過光速的速度進行交流，而他之前已經證明這不可能。

但多年來，在各種實驗中，研究人員已經産生了支援這一理論的糾纏粒子，糾纏已經毫無疑問地成為量子世界最具代表性的詭異現象之一。

和愛麗絲和鮑勃的實驗類似，當研究人員将兩個光子糾纏在一起，然後在精确控制的條件下将每個光子發送到不同的方向，它們将繼續處于疊加狀态，同時水準和垂直地偏振。隻有當其中一個光子被測量時，兩個光子才會随機地得到兩種可能的偏振狀态中的一種。

實體學家現在已經證明，糾纏可以跨越數百千米。2017年，一顆名為“墨子号”的中國衛星将糾纏的光子發送到不同的地面站，它們之間相隔1200多千米，打破了糾纏粒子的距離記錄。

用實驗了解更多粒子的糾纏

量子關聯與普通的關聯大不相同。随機性是關鍵所在。這種幽靈般的内在随機性實際上正是困擾愛因斯坦的問題，但它對量子世界的運作方式至關重要。

兩個糾纏的粒子的概念已經非常令人費解了，當涉及更多粒子時，情況還會變得更複雜。

例如，在人體等自然環境中，不是兩個，而是數百個甚至更多分子糾纏在一起，構成了一個交織的群體。在這些多體糾纏系統中，整體大于部分之和。用一種形象的比喻，糾纏就像一根線，它穿過每一個單獨的粒子，并且指導它們如何互相連接配接在一起。對科學家來說，真正的挑戰是要了解數百個甚至更多粒子，如何能夠以類似的方式互相聯系。

了解多體糾纏的第一步是在實驗室中創造并控制它。從根本上來說，這非常難做到。即使将規模再縮小一些，也并不簡單。

比如，如果研究人員建立一個系統，産生了20個糾纏的粒子，然後他們向不同方向分别發送10個，那麼他們就必須測量第一組10個粒子中的每一個是否和另一組中的每一個粒子都發生了糾纏。

有許多不同的方法來檢驗這些關聯，對這些系統的描述也格外複雜。為了解決這個問題，許多研究人員正在努力思考糾纏材料的計算表示，它們要比現有的模型更簡單、更簡潔。

建立和控制量子系統的另一個困難與它們脆弱的性質有關。就像被稱為“敏感植物”的含羞草一樣，當環境發生輕微變化時，糾纏态就很容易消失。

在實驗中，糾纏的粒子會迅速與它們周圍的環境發生糾纏，這就破壞了研究人員可能試圖研究或使用的原始糾纏态。即使是一個飛過實驗的雜散光子也可能摧毀整個實驗。在量子計算領域，這種脆弱性也會帶來很多問題，導緻計算錯誤。

萬物的根源

雖然糾纏是量子資訊科學進步的關鍵，但它同樣是理論實體學家格外感興趣的一個概念。

一些理論實體學家認為，空間和時間本身就是潛在的量子連接配接網絡的結果。時空中的任何兩點，無論相隔多遠，實際上都是糾纏的。我們認為彼此更近的時空點，可能隻是比那些感覺更遠的點更“糾纏”而已。

近期更多推測認為，糾纏可以看作量子引力中縫合不同時空區域的線。這種糾纏與時空的聯系甚至可能有助于解決基礎實體學中最大的挑戰之一，那就是建立一個統一的理論，将廣義相對論的宏觀規律（引力）與量子實體學的微觀規律（亞原子粒子的行為方式）聯系在一起。

#創作團隊：

撰文：M ka

排版：雯雯

#參考來源：

https://magazine.caltech.edu/post/untangling-entanglement

https://www.symmetrymagazine.org/article/january-2014/quantum-entanglement

https://theconversation.com/quantum-entanglement-what-it-is-and-why-physicists-want-to-harness-it-171608

#圖檔來源：

封面圖/首圖：原理